葛鑫

（山西焦煤汾西礦業(yè)高陽煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

刮板槽作為刮板運輸機的主要構(gòu)成組件，不僅是采煤機運行的軌道，而且是物料運輸?shù)闹饕d體，其運行工況的良好與否對采煤機工作效率有著直接影響。特別是對于大采高作業(yè)面而言，由于回采設(shè)備均屬于重型設(shè)備，加之作業(yè)面存在傾角，其刮板運輸機中部槽不僅要有足夠的強度還要有一定的塑性和韌性，避免在作業(yè)過程中發(fā)生中部槽斷裂，影響生產(chǎn)的持續(xù)開展。而這就需要針對中部槽失效事故開展分析，探究其失效原因，以便采取針對性措施，防止相似問題發(fā)生。

1 工程概述

高陽煤礦21103作業(yè)面為大采高作業(yè)面，工作面全長300 m，煤層厚度介于6.1～7.2 m，采高設(shè)計6.6 m。作業(yè)面采煤機選用7LS7型采煤機，原煤運輸采用3×1 000 kW型刮板輸送機，其中部槽寬1 200 mm。自工作面投產(chǎn)半年以來，刮板運輸機共計過煤超過700萬t，其中部槽先后損壞9節(jié)，為回采作業(yè)面生產(chǎn)秩序的有效組織和設(shè)備檢修帶來一定困難，影響了生產(chǎn)效益[1]。

2 中部槽斷裂分析

2.1 運輸機整體平移的運動分析

刮板運輸機作業(yè)過程中的水平移動主要包括刮板運輸機推移和拉架兩個過程，其中刮板運輸機的推移概指一個采煤循環(huán)完成后，通過油缸的伸出，將刮板運輸機推移至特定位置的過程，而后通過收回油缸并帶動液壓支架向前移動的過程便是拉架。圖1所示即為刮板運輸機推移時的水平彎曲段示意圖，圖1中1號—10號中部槽為推移過程中的水平彎曲段，而采煤機運動則向著與彎曲段相反的方向。

圖1 刮板運輸機推移時水平彎曲段示意圖

2.2 中部槽的受力分析

1）刮板運輸機推移時的中部槽受力分析。推移過程中液壓支架對中部槽水平段推力同其移動方向相同，但彎曲段由于各節(jié)均存在一定的轉(zhuǎn)角，因此其受力狀況同自身的轉(zhuǎn)角度數(shù)存在緊密的關(guān)聯(lián)性。假設(shè)上圖 1 中 1 號—5 號中部槽轉(zhuǎn)角分別為 α1、α2、α3、α4、α5，其中 αi+1=αi+1°（i=1、2、3、4）。6 號—10 號中部槽形態(tài)同前半段的形態(tài)呈現(xiàn)出反對稱性，則中部槽1號同10號，2號同9號受力狀況完全一致，并可以此類推。圖2所示即為推移時刮板運輸機中部槽受力示意圖，其中F1和F2為中部槽所受阻力，F(xiàn)t為電機牽引力[2]。

圖2 推移作業(yè)時中部槽受力示意圖

2）拉架時的中部槽受力分析。拉架作業(yè)時，由于所有中部槽均處于相同直線上，因此其所受拉架力的作用效果是完全一致的，此時中部槽受力示意圖如下頁圖3所示，其中Fy為中部槽垂直受力。

3）采煤機通過時中部槽受力分析。當采煤機位于中部槽上方切割煤壁時其受力示意圖如下頁圖4所示。其中，G代表采煤機與中部槽重力和，N代表所受地面支撐力，F(xiàn)q代表中部槽縱向受力。

一般而言，在刮板運輸機的推移和拉架過程中，中部槽受力以水平作用力為主，其中由于推移過程中“S”段各中部槽存在不同轉(zhuǎn)角，因此中部槽凹凸區(qū)域在刮板運輸機推移過程中的受力相較于拉架過程時更為集中。而采煤機經(jīng)過中部槽時，中部槽受力以縱向作用力為主，特別是采煤機支撐滑靴停留在凹凸區(qū)域鏟板時，凹凸區(qū)域的應力集中更為顯著[3]。

圖3 拉架時中部槽受力示意圖

圖4 采煤機通過時中部槽受力示意圖

3 中部槽斷裂的實驗分析

3.1 受力實驗分析

采煤機經(jīng)過中部槽區(qū)域時，鑒于回采作業(yè)面地板的起伏性，中部槽啞鈴座區(qū)域應力集中顯著。如果設(shè)備設(shè)計不科學或設(shè)備材質(zhì)選擇不當，便會導致啞鈴座區(qū)域材料發(fā)生屈服，進而產(chǎn)生裂紋，影響其使用性能。因此，借助有限元分析技術(shù)，構(gòu)建中部槽三維模型，針對其使用時的槽幫應力狀態(tài)進行分析。在模擬時對槽幫凸頭鏟板外側(cè)與凹頭窩下表面均添加4 000 kN作用力，可發(fā)現(xiàn)中部槽凸頭和槽幫過度區(qū)域均存在開裂趨勢，啞鈴銷座凹頭窩中部存在輕微開裂。在此設(shè)計一個實驗方案，對中部槽受力破壞情況進行分析[4]。

實驗方案：為準確模擬運輸機推移時的中部槽受力狀況，取兩段中部槽依照推移作業(yè)時的實際情況固定于實驗臺，同時在1節(jié)中部槽上布設(shè)液壓缸兩個用于模擬液壓支架在推移刮板運輸機中的作用，設(shè)定實驗壓力分別為1 600 kN、2 500 kN、3 000 kN和3 200 kN；單個液壓缸受力分別為800 kN、1250 kN、1500kN和 1 600 kN；啞鈴銷受力分別為 2 050 kN、3 170 kN、3 800 kN和 4 050 kN。在實驗中，中部槽槽幫凹凸區(qū)域始終未出現(xiàn)任何變形，啞鈴銷在實驗壓力為3 200 kN時出現(xiàn)1.2 mm的輕微變形，其他條件下均為發(fā)生變形。由此槽幫凹凸區(qū)域發(fā)生斷裂時不存在變形，為典型的脆性斷裂，發(fā)生斷裂的誘因可能是材質(zhì)硬度過高所致，需進一步開展材料元素測定[5-6]。

3.2 材質(zhì)元素測定實驗

基于受力實驗可知，當壓力增加至4 300 kN時中部槽凸頭區(qū)域和槽幫過渡區(qū)域機啞鈴銷凹頭區(qū)域均存在開裂趨勢。選取中部槽斷裂區(qū)域試樣開展材質(zhì)元素測定，發(fā)現(xiàn)中部槽的Si、Cr、Mo和Mn等元素含量相對較大，容易發(fā)生脆斷。同時，針對中部槽性能進行檢測，結(jié)果顯示其屈服極限為740 MPa、抗拉極限為960 MPa、延伸率為1.2%、硬度為320～360，這表明該中部槽硬度超出硬度限定范圍（245～325），材質(zhì)硬度偏高，因此在使用中容易出現(xiàn)疲勞斷裂現(xiàn)象。

4 結(jié)語

經(jīng)由對大采高作業(yè)面刮板運輸機中部槽斷裂原因的分析，發(fā)現(xiàn)其制作材質(zhì)中Si、Cr、Mo和Mn等元素含量相對較大，導致中部槽硬度偏高，易在使用過程中出現(xiàn)疲勞斷裂現(xiàn)象。針對此，技術(shù)人員應當總結(jié)經(jīng)驗，在中部槽的鍛造、焊接作業(yè)中針對性地改良制作工藝，通過對局部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整和對材質(zhì)的優(yōu)化配比，改良其性能，從根本上規(guī)避中部槽斷裂現(xiàn)象的發(fā)生。

參考文獻

[1]許聯(lián)航，劉混舉.大采高工作面刮板輸送機中部槽斷裂原因分析[J].煤炭科學技術(shù)，2014，42（4）：126-128.

[2]劉品強.刮板輸送機中部槽的強度分析及優(yōu)化[D].天津：河北工業(yè)大學，2007.

[3]賈會會.刮板輸送機中部槽的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].礦山機械，2010，38（5）：13-16.

[4]胡元哲.刮板輸送機中部槽磨損失效分析與抗磨措施[J].礦山機械，2009，37（1）：33-36.

[5]余斌.刮板輸送機中部槽結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計[J].煤礦機械，2014，35（12）：183-185.

[6]王新剛，梁愛國.刮板輸送機中部槽與刮板鏈的磨損分析及對策[J].煤礦機械，2015，36（5）：109-111.